Elaboration de jonctions tunnel magnétiques à barrière SrTiO3 pour application bas RA

par Emeline Hassen

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Bernard Viala.

Soutenue le 12-10-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation (équipe de recherche) .

Le président du jury était Mair Chsiev.

Le jury était composé de Bernard Viala, Jean-francois Bobo, Mathilde Cartier.

Les rapporteurs étaient Agnes Barthelemy, Myriam Pannetier.


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l'élaboration et la caractérisation de jonctions tunnel magnétiques (JTM) polycristallines à barrière d'oxyde de titane de strontium, SrTiO3, qui se situe parmi les nouvelles barrières tunnel aux bandes interdites les plus étroites, recensées par la littérature. De telles barrières pourraient répondre à un besoin applicatif crucial : avoir un produit résistance x surface, RA, plus faible dans les JTM, ou à son corollaire, avoir une épaisseur de barrière plus forte à RA égal tout en conservant une magnétorésistance tunnel, TMR, élevée. De précédents travaux ont montré que le SrTiO3 présente une température de cristallisation inhabituellement basse (< 400°C) lorsqu'il est déposé par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) ce qui peut le rendre compatible avec les électrodes magnétiques standards constitutives des JTM. Le dépôt par IBS restant une technique pour le moins exotique au regard de l'état de l'art des JTM, nous avons dans un premier temps élaboré des JTM à barrière d'oxyde de magnésium, MgO, matériau phare de la spintronique. Cette étude a permis de mettre en avant les paramètres spécifiques à cette technique de dépôt influant sur les propriétés de transport des JTM, notamment le type d'oxydation. Dans un second temps, nous avons réalisé des JTM CoFeB/SrTiO3/CoFeB par IBS à partir d'une cible céramique de SrTiO3, en nous inspirant du travail effectué sur le MgO. Les influences de plusieurs paramètres de dépôt, d'oxydation et de recuit ont été analysées, conduisant à deux tendances opposées avec des systèmes présentant soit à une TMR élevée (18 %), soit un RA faible (2.6 Ohm.µm²). Des JTM SrTiO3 ont ensuite été nanostructurées pour la première fois et les tests électriques ont montré que les JTM ayant un bas RA présentaient un comportement ohmique alors que celles ayant une TMR élevée présentaient le comportement tunnel attendu. De plus, ces dernières présentent un claquage diélectrique intrinsèque à l'oxyde. En parallèle, des études microstructurales ont montré une qualité morphologique des JTM SrTiO3 semblable à celle des JTM MgO à l'état de l'art. Toutefois, ces observations n'ont pas permis de statuer sur le caractère cristallisé ou non des barrières en SrTiO3. Plusieurs pistes visant à déterminer la température de cristallisation du SrTiO3 dans la gamme des épaisseurs extraordinairement faibles des barrières tunnel ont été proposées.

  • Titre traduit

    Development of SrTiO3 based magnetic tunnel junctions for low RA applications


  • Résumé

    This work is focused on the development and the characterization of polycrystalline magnetic tunnel junctions (MTJ) with strontium titanium oxide barrier, SrTiO3, identified as a low band gap tunnel barrier by literature. Such barrier could fulfill the critical application requirement: having a lower resistance area product (RA) in MTJ, or its corollary, having a thicker barrier at constant RA, while keeping the tunnel magnetoresistance ratio (TMR) high enough. Former studies have shown that SrTiO3 deposited by ion beam sputtering (IBS) could crystallize at an unusual low temperature (< 400°C) which could make it compatible with the magnetic layers of MTJs. In a first place, MTJs with a tunnel barrier made of a well known material in spintronics, namely MgO, were deposited. This preliminary work allowed us to highlight the specific parameters affecting the transport properties in MTJs deposited by IBS, including the oxidation type. In a second place, CoFeB/SrTiO3/CoFeB MTJs were developed using IBS and a SrTiO3 ceramic target, learning from our experience on MgO based MTJs. Many combinations of different parameters (including deposition, oxidation and annealing parameters) were explored, leading to two opposite tendencies with systems having either a high TMR (up to 18 %) or a low RA (down to 2.6 Ohm.µm²). SrTiO3 based MTJs were then patterned for the first time and submitted to electrical tests. These tests showed that the MTJs having a low RA exhibited an ohmic behaviour while the MTJs having a large TMR showed the expected tunnel characteristics. Furthermore, the latter MTJs showed an intrinsic dielectric breakdown. In parallel, microstructural characterizations have shown that SrTiO3 based MTJs and MgO based MTJ were alike morphologically. Nevertheless, these observations alone were not enough to assess on the crystalline state of SrTiO3. Many possibilities/tracks aiming at determining the crystallisation temperature of SrTiO3, in the range of extremely low thicknesses used in MTJs, are identified.


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